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전기기사 전력공학 · 전력계통의 구성 및 운용

Power System Operation

전력 계통은 발전 → 송전 → 배전으로 이어진 큰 회로이고, 운용의 핵심은 시시각각 바뀌는 수요에 맞춰 주파수와 전압을 일정하게 지키는 것이다. 주파수는 유효 전력의 수급 균형에, 전압은 무효 전력에 민감하며, 여러 발전기의 출력은 증분 연료비가 같아지도록 나눠 연료비를 가장 적게 한다. 우리나라 계통 주파수는 60 Hz 이고, 조속기의 수하 특성이 1차 주파수 제어를 맡아요. 부하 슬라이더로 주파수와 조속기 출력의 변화를, 증분 연료비 λ 슬라이더로 두 발전기의 경제 부하 배분을 볼 수 있어요.

발전소에서 가정까지: 전력 계통의 계층

🏗️ 전력 계통은 세 단계 변환
①발전소에서 나온 11 ~ 22 kV 를 승압 변전소에서 345 · 765 kV 로 올려 손실을 줄인다
②송전 선로가 초고압으로 먼 거리를 보낸다
③강압 변전소에서 22.9 kV 로 낮춰 배전하고, 주상 변압기에서 다시 220 V 로 낮춰 가정에 공급해요

주파수 제어: 발전량 = 수요량

50%
⚖️ 주파수가 60 Hz 에서 벗어나는 까닭
①발전량이 수요보다 많으면 주파수가 60 Hz 를 넘고, 조속기가 출력을 줄인다
②발전량이 수요보다 적으면 주파수가 60 Hz 아래로 내려가고, 조속기가 출력을 늘린다
③수하 특성은 주파수가 떨어지면 저절로 출력을 늘리는 조속기의 성질이에요

주파수 · 전압 제어 공식

속도 조정률(조속기)
R = f0 - fFLfFL × 100 [%]
f₀ 는 무부하 주파수, fFL 은 전부하 주파수이고, 보통 3 ~ 5% 다.
전압 · 무효 전력 제어
전압 ↓ → 콘덴서 투입(Q 공급) → 전압 회복
유효 전력 P 는 주파수 f 와, 무효 전력 Q 는 전압 V 와 짝을 이뤄요.

경제 부하 배분(ELD): 가장 적은 비용으로 공급

30
등증분 연료비 법칙
dF1dP1 = dF2dP2 = ··· = λ
모든 발전기의 증분 연료비가 같을 때 총연료비가 가장 적다.
💰 경제 급전의 원리
①발전기마다 연료비 특성이 다르며, 흔히 F(P) = aP² + bP + c 로 나타낸다
②증분 연료비 λ = dF/dP = 2aP + b 는 출력에 따라 달라진다
③모든 발전기의 λ 를 같게 맞추면 총비용이 가장 작아져요(라그랑주 승수법)

시험 총정리

주파수 제어
1차: 조속기, 2차: AFC
자동 주파수 제어
속도 조정률
R = ΔffFL × 100
≈ 3~5%
경제 부하 배분
λ = dF/dP → 모든 발전기 같게
F(P) = aP²+bP+c
P↔f, Q↔V
유효 전력 → 주파수, 무효 전력 → 전압
제어 짝
🎯 시험 포인트
①주파수는 유효 전력(P)과, 전압은 무효 전력(Q)과 이어진다
②조속기 수하 특성: 주파수가 떨어지면 출력이 늘어 저절로 보상한다
③등증분 연료비 법칙: 경제 급전 문제는 λ 를 같게 맞춰 푼다
④AFC(자동 주파수 제어)는 2차 제어로, 주파수를 정격값으로 완전히 되돌린다
⑤계통 연계: 둘 이상의 계통을 이으면 신뢰도가 오르지만 조류를 제어해야 해요
📝 대표 기출 유형
①[기출유형] F₁ = 0.01P₁² + 8P₁ + 100, F₂ = 0.02P₂² + 6P₂ + 80 일 때 총부하 200 MW 의 경제 배분은? (풀이: λ = 0.02P₁ + 8 = 0.04P₂ + 6 과 P₁ + P₂ = 200 을 연립 → P₁ = P₂ = 100 MW, λ = 10)
②[기출유형] 속도 조정률 4% 인 발전기의 무부하 주파수가 62.4 Hz 일 때 전부하 주파수는? (답: 전부하 주파수 = 62.4/1.04 = 60 Hz)
③[기출유형] 유효 전력과 무효 전력은 각각 어떤 전기량과 관련되는지 쓰시오. (답: P 는 주파수, Q 는 전압)
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